ट्रायबोइलेक्ट्रिक प्रभाव आणि TENG नॅनोजनरेटर

ट्रायबोइलेक्ट्रिक इफेक्ट ही काही सामग्रीमध्ये इलेक्ट्रिक चार्जेस दिसण्याची घटना आहे जेव्हा ते एकमेकांवर घासतात. हा प्रभाव स्वाभाविकपणे प्रकट होतो संपर्क विद्युतीकरण, जे प्राचीन काळापासून मानवजातीला ज्ञात आहे.

मिलेत्स्कीच्या थेल्सनेही लोकरीने घासलेल्या एम्बर स्टिकच्या प्रयोगात ही घटना पाहिली. तसे, "विद्युत" हा शब्द तिथूनच उद्भवला आहे, कारण ग्रीकमधून अनुवादित, "इलेक्ट्रॉन" शब्दाचा अर्थ एम्बर आहे.

ट्रायबोइलेक्ट्रिक प्रभाव दर्शवू शकणारी सामग्री तथाकथित ट्रायबोइलेक्ट्रिक ऑर्डरमध्ये व्यवस्था केली जाऊ शकते: काच, प्लेक्सिग्लास, नायलॉन, लोकर, रेशीम, सेल्युलोज, कापूस, एम्बर, पॉलीयुरेथेन, पॉलिस्टीरिन, टेफ्लॉन, रबर, पॉलिथिलीन इ.

ओळीच्या सुरूवातीस सशर्त "सकारात्मक" सामग्री आहेत, शेवटी - सशर्त "नकारात्मक". जर तुम्ही या ऑर्डरची दोन सामग्री घेतली आणि ती एकमेकांवर घासली, तर "सकारात्मक" बाजूच्या जवळ असलेल्या सामग्रीवर सकारात्मक शुल्क आकारले जाईल आणि दुसरी नकारात्मक चार्ज होईल. प्रथमच, स्वीडिश भौतिकशास्त्रज्ञ जोहान कार्ल विल्के यांनी 1757 मध्ये ट्रायबोइलेक्ट्रिक मालिका संकलित केली होती.

भौतिक दृष्टिकोनातून, एकमेकांवर घासलेल्या दोन पदार्थांपैकी एकावर सकारात्मक चार्ज होईल, जो त्याच्या मोठ्या डायलेक्ट्रिक स्थिरांकाने भिन्न असतो. या प्रायोगिक मॉडेलला कोहेनचा नियम असे म्हटले जाते आणि ते प्रामुख्याने संबंधित आहे dielectrics करण्यासाठी.

जेव्हा रासायनिक दृष्ट्या समान डायलेक्ट्रिक्सची जोडी एकमेकांवर घासते तेव्हा घनतेला सकारात्मक चार्ज मिळेल. लिक्विड डायलेक्ट्रिक्समध्ये, उच्च डायलेक्ट्रिक स्थिर किंवा उच्च पृष्ठभागावरील ताण असलेल्या पदार्थावर सकारात्मक चार्ज केला जाईल. दुसरीकडे, धातू जेव्हा डायलेक्ट्रिकच्या पृष्ठभागावर घासतात तेव्हा ते सकारात्मक आणि नकारात्मक दोन्ही प्रकारे विद्युतीकृत होऊ शकतात.

एकमेकांवर घासलेल्या शरीराच्या विद्युतीकरणाची डिग्री अधिक लक्षणीय आहे, त्यांच्या पृष्ठभागाचे क्षेत्रफळ जास्त आहे. शरीराच्या पृष्ठभागावरील धुळीचे घर्षण ज्यापासून ते वेगळे केले जाते (काच, संगमरवरी, बर्फाची धूळ इ.) नकारात्मक चार्ज होते. चाळणीतून धूळ चाळली असता धुळीचे कणही चार्ज होतात.

घन पदार्थांमधील ट्रायबोइलेक्ट्रिक प्रभाव खालीलप्रमाणे स्पष्ट केला जाऊ शकतो. चार्ज वाहक एका शरीरातून दुसऱ्या शरीरात जातात. अर्धसंवाहक आणि धातूंमध्ये, ट्रायबोइलेक्ट्रिक प्रभाव कमी कार्य कार्य असलेल्या सामग्रीपासून उच्च कार्य कार्य असलेल्या सामग्रीमध्ये इलेक्ट्रॉनच्या हालचालीमुळे होतो.

जेव्हा डायलेक्ट्रिक धातूवर घासते तेव्हा ट्रायबोइलेक्ट्रिक इलेक्ट्रीफिकेशन धातूपासून डायलेक्ट्रिकमध्ये इलेक्ट्रॉन्सच्या संक्रमणामुळे होते. जेव्हा डायलेक्ट्रिक्सची जोडी एकत्र घासते, तेव्हा संबंधित आयन आणि इलेक्ट्रॉनच्या परस्पर प्रवेशामुळे ही घटना घडते.

ट्रायबोइलेक्ट्रिक इफेक्टच्या तीव्रतेमध्ये महत्त्वपूर्ण योगदान म्हणजे एकमेकांशी घर्षण होण्याच्या प्रक्रियेत शरीराच्या गरम होण्याच्या वेगवेगळ्या अंश असू शकतात, कारण या वस्तुस्थितीमुळे वाहकांचे विस्थापन अधिक तापलेल्या पदार्थाच्या स्थानिक विसंगतीमुळे होते - "खरे" triboelectricity. याव्यतिरिक्त, पायझोइलेक्ट्रिक्स किंवा पायरोइलेक्ट्रिक्सच्या वैयक्तिक पृष्ठभागाच्या घटकांचे यांत्रिक काढून टाकल्याने ट्रायबोइलेक्ट्रिक प्रभाव होऊ शकतो.

द्रवपदार्थांवर लागू, ट्रायबोइलेक्ट्रिक प्रभावाचे प्रकटीकरण दोन द्रव माध्यमांमधील इंटरफेसमध्ये किंवा द्रव आणि घन यांच्यातील इंटरफेसमध्ये विद्युत दुहेरी स्तर दिसण्याशी संबंधित आहे. जेव्हा द्रव धातूंवर घासतात (प्रवाह किंवा प्रभाव स्प्लॅश दरम्यान), ट्रायबोइलेक्ट्रिकिटी धातू आणि द्रव यांच्यातील इंटरफेसमध्ये शुल्क वेगळे केल्यामुळे उद्भवते.

ज्यांचे डायलेक्ट्रिक स्थिरांक भिन्न असतात अशा द्रवांमधील इंटरफेसमध्ये विद्युत दुहेरी स्तरांच्या उपस्थितीमुळे दोन द्रव डायलेक्ट्रिक्स घासून विद्युतीकरण होते. वर नमूद केल्याप्रमाणे (कोहेनच्या नियमानुसार), कमी डायलेक्ट्रिक स्थिरांक असलेल्या द्रवावर नकारात्मक चार्ज केला जातो आणि जास्त असलेल्या द्रवावर सकारात्मक चार्ज केला जातो.

घन डायलेक्ट्रिकच्या पृष्ठभागावर किंवा द्रवपदार्थाच्या पृष्ठभागावर आघात झाल्यामुळे द्रवपदार्थ स्प्लॅश करताना ट्रायबोइलेक्ट्रिक प्रभाव द्रव आणि वायूच्या सीमेवरील विद्युत दुहेरी स्तरांचा नाश झाल्यामुळे होतो (धबधब्यांमध्ये विद्युतीकरण या यंत्रणेद्वारे अचूकपणे होते) .

जरी काही परिस्थितींमध्ये ट्रायबोइलेक्ट्रीसिटीमुळे सिंथेटिक फॅब्रिक सारख्या डायलेक्ट्रिक्समध्ये विद्युत शुल्काचा अवांछित संचय होतो, तरीही ट्रायबोइलेक्ट्रिक इफेक्ट आज घन पदार्थांमधील इलेक्ट्रॉन ट्रॅप्सच्या ऊर्जा स्पेक्ट्रमच्या अभ्यासासाठी तसेच ल्युमिनेसेंट केंद्रांचा अभ्यास करण्यासाठी खनिजशास्त्रामध्ये वापरला जातो. , खनिजे, खडकांच्या निर्मितीची परिस्थिती आणि त्यांचे वय निर्धारित करणे.

TENG ट्रायबोइलेक्ट्रिक नॅनोजनरेटर

पहिल्या दृष्टीक्षेपात, या प्रक्रियेत सामील असलेल्या इलेक्ट्रिक चार्जच्या कमी आणि अस्थिर घनतेमुळे ट्रायबोइलेक्ट्रिक प्रभाव ऊर्जावानदृष्ट्या कमकुवत आणि अकार्यक्षम असल्याचे दिसते. तथापि, जॉर्जिया टेक येथील शास्त्रज्ञांच्या गटाने प्रभावाची ऊर्जा वैशिष्ट्ये सुधारण्याचा मार्ग शोधला आहे.

चुंबकीय उत्तेजनासह पारंपारिक इंडक्शन जनरेटरच्या संदर्भात सामान्यतः केले जाते त्याप्रमाणे नॅनोजनरेटर प्रणालीला सर्वोच्च आणि सर्वात स्थिर आउटपुट पॉवरच्या दिशेने उत्तेजित करणे ही पद्धत आहे.

चांगल्या प्रकारे डिझाइन केलेल्या परिणामी व्होल्टेज गुणाकार योजनांच्या संयोगाने, बाह्य स्व-चार्ज उत्तेजनासह प्रणाली प्रति चौरस मीटर 1.25 mC पेक्षा जास्त चार्ज घनता प्रदर्शित करण्यास सक्षम आहे. लक्षात ठेवा की परिणामी विद्युत शक्ती दिलेल्या प्रमाणाच्या वर्गाच्या प्रमाणात असते.

शास्त्रज्ञांच्या विकासामुळे नजीकच्या भविष्यात व्यावहारिक आणि उच्च-कार्यक्षमता असलेल्या ट्रायबोइलेक्ट्रिक नॅनोजनरेटर्स (TENG, TENG) च्या निर्मितीची खरी शक्यता उघडते जे प्रामुख्याने मानवी शरीराच्या दैनंदिन यांत्रिक हालचालींमधून प्राप्त झालेल्या उर्जेसह पोर्टेबल इलेक्ट्रॉनिक्स चार्ज करते.

नॅनोजनरेटर कमी वजन, कमी किमतीचे वचन देतात आणि तुम्हाला त्यांच्या निर्मितीसाठी 1-4 हर्ट्झच्या कमी फ्रिक्वेन्सीमध्ये सर्वात प्रभावीपणे निर्माण करतील अशी सामग्री निवडण्याची परवानगी देतात.

बाह्य चार्ज पंपिंग असलेले सर्किट (बाह्य उत्तेजनासह इंडक्शन जनरेटरसारखे) या क्षणी अधिक आशादायक मानले जाते, जेव्हा व्युत्पन्न केलेल्या उर्जेचा काही भाग निर्मिती प्रक्रियेस समर्थन देण्यासाठी आणि कार्यरत चार्ज घनता वाढविण्यासाठी वापरला जातो.

डेव्हलपर्सच्या कल्पनेनुसार, जनरेटर कॅपेसिटर आणि बाह्य कॅपेसिटर वेगळे केल्याने ट्रायबोइलेक्ट्रिक लेयरवर थेट परिणाम न करता बाह्य इलेक्ट्रोडद्वारे रोमांचक निर्मिती होऊ शकते.

उत्तेजित चार्ज मुख्य TENG नॅनोजनरेटर (TENG) च्या इलेक्ट्रोडला पुरवला जातो, तर चार्ज उत्तेजना प्रणाली आणि मुख्य आउटपुट लोड TENG स्वतंत्र प्रणाली म्हणून कार्य करतात.

चार्ज एक्सिटेशन मॉड्यूलच्या तर्कसंगत डिझाइनसह, डिस्चार्ज प्रक्रियेदरम्यान TENG च्या फीडबॅकद्वारे त्यात जमा झालेले शुल्क पुन्हा भरले जाऊ शकते. अशा प्रकारे, TENG चे स्वयं-उत्तेजना प्राप्त होते.

संशोधनादरम्यान, शास्त्रज्ञांनी विविध बाह्य घटकांच्या निर्मिती कार्यक्षमतेवर प्रभावाचा अभ्यास केला, जसे की: डायलेक्ट्रिकचा प्रकार आणि जाडी, इलेक्ट्रोडची सामग्री, वारंवारता, आर्द्रता इ. या टप्प्यावर, TENG ट्रायबोइलेक्ट्रिक लेयरमध्ये 5 मायक्रॉनची जाडी असलेली पॉलिमाइड डायलेक्ट्रिक कॅप्टन फिल्म समाविष्ट आहे आणि इलेक्ट्रोड तांबे आणि अॅल्युमिनियमचे बनलेले आहेत.

सध्याची उपलब्धी अशी आहे की 50 सेकंदांनंतर केवळ 1 हर्ट्झच्या वारंवारतेवर कार्य करत असताना, चार्ज बर्‍यापैकी कार्यक्षमतेने उत्तेजित होतो, ज्यामुळे नजीकच्या भविष्यात विस्तृत अनुप्रयोगांसाठी स्थिर नॅनोजनरेटर तयार होण्याची आशा आहे.

बाह्य चार्ज उत्तेजनासह TENG संरचनेत, मुख्य जनरेटर आणि आउटपुट लोड कॅपेसिटरच्या कॅपेसिटन्सचे पृथक्करण तीन संपर्क वेगळे करून आणि कॅपेसिटन्समध्ये तुलनेने मोठा बदल साध्य करण्यासाठी भिन्न डायलेक्ट्रिक वैशिष्ट्यांसह इन्सुलेट फिल्म्स वापरून साध्य केले जाते.

प्रथम, व्होल्टेज स्त्रोताकडून चार्ज मुख्य TENG ला पुरवला जातो, ज्याच्या कॅपॅसिटन्सवर यंत्र जास्तीत जास्त कॅपॅसिटन्सच्या संपर्क स्थितीत असताना व्होल्टेज तयार होते. दोन इलेक्ट्रोड वेगळे होताच, कॅपेसिटन्स कमी झाल्यामुळे व्होल्टेज वाढते आणि समतोल स्थिती येईपर्यंत बेस कॅपेसिटरपासून स्टोरेज कॅपेसिटरकडे चार्ज प्रवाह होतो.

संपर्काच्या पुढील स्थितीत, चार्ज मुख्य TENG कडे परत येतो आणि ऊर्जा निर्मितीमध्ये योगदान देतो, जे मुख्य कॅपेसिटरमधील फिल्मच्या डायलेक्ट्रिक स्थिरांकापेक्षा जास्त असेल. डिझाईन व्होल्टेज पातळी प्राप्त करणे डायोड गुणक वापरून केले जाते.